Rayons cosmiques et rayonnement du cosmos

Cosmic rays play a very special role in astrophysics and astroparticle physics, not only because they are involved in most of the energetic processes taking place in the universe, but because their very existence and the continuity of their energy spectrum (from thermal energies up to over 1020 eV) raise fruitful and unexpectedly diverse questions. The source of these energetic particles travelling across the cosmos remains largely unknown, and decades of research have not allowed one to fully undestand the link between those that are seen to radiate throughout the electromagnetic spectrum in the various astronomical sources and those that are detected in the vicinity of Earth, carrying precious information for physics in general. We propose a global and multidisciplinary approach to cosmic rays, emphasizing the necessity of considering together their three spectral dimensions: energy distribution (spectrum), angular distribution (anisotropies) and mass distribution (composition). We analyse various aspects of the problematics — theoretical, phenomenological and experimental — with some focus on ultra-high-energy cosmic rays, in relation with the Pierre Auger Observatory. But we also try to explicate the links between the different ranges of energy and to emphasize the importance of the galactic/extragalactic transition. Numerous constraints are also provided by non-thermal astronomy and nuclear astrophysics, of which we discuss some aspects that are directly related to energetic particles, to their acceleration and their propagation in the cosmos.Les rayons cosmiques occupent une place privilégiée au sein de l'astrophysique et de la physique des astroparticules, non seulement parce qu'ils participent à la plupart des processus énergétiques à l'œuvre dans l'univers, mais parce que leur existence même et la continuité de leur spectre d'énergie (des énergies thermiques à plus de 1020 eV) soulèvent des questions d'une grande fécondité et d'une richesse inattendue. La source de ces particules énergétiques sillonnant le cosmos demeure largement inconnue, et des décennies de recherche n'ont pas permis d'élucider pleinement le lien existant entre celles que l'on voit rayonner sur toute l'étendue du spectre électromagnétique dans telle ou telle source astronomique et celles que l'on détecte au voisinage de la Terre, porteuses d'informations précieuses pour la physique en général. Nous proposons une approche globale et pluridisciplinaire du rayonnement cosmique, insistant sur la nécessité de considérer conjointement ses trois dimensions spectrales : la distribution en énergie (spectre), la distribution angulaire (anisotropies) et la distribution en masse (composition). Nous analysons divers aspects de cette problématique — théoriques, phénoménologiques et expérimentaux — avec une attention particulière au cas des rayons cosmiques ultra-énergétiques, en relation avec l'Observatoire Pierre Auger, mais nous tentons également d'expliciter les liens existant entre les différentes gammes d'énergie, et de mettre en lumière l'importance de la transition galactique/ extragalactique. De nombreuses contraintes sont également apportées par l'astronomie non-thermique et l'astrophysique nucléaire, dont nous discutons certains aspects directement liés aux particules énergétiques, à leur accélération comme à leur propagation dans le cosmos